Trabalho - Decantadores, flotadores e centrífugas

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ – UNIOESTE
CENTRO DE ENGENHARIA E CIENCIAS EXATAS – CECE
ENGENHARIA QUIMICA – 4a SÉRIE
DECANTADORES, FLOTADORES E CENTRÍFUGAS
TOLEDO – PR
2014
Antonio Teste Netto
Maycon Vinícius de Senna Ribeiro
DECANTADORES, FLOTADORES E CENTRÍFUGAS
Trabalho acadêmico apresentado à disciplina de Operações Unitárias A em cumprimento parcial aos requisitos para obtenção do título de graduação em Engenharia Química na Universidade Estadual do Oeste do Paraná Campus de Toledo.
Docente: Marcos Flávio Pinto Moreira 
TOLEDO – PR
2014
INTRODUÇÃO
A grande maioria dos processos industriais lida com misturas de diferentes produtos, ou mesmo a própria matéria-prima que precisa ser purificada antes de adentrar o processo. Dessa forma, são necessários processos de separação e purificação, que em geral consomem mais tempo do que a própria síntese. Dentre esses processos, destacam-se os processos de separação mecânica, empregados para misturas com interações relativamente fracas entre as fases, como sedimentos em água, por exemplo. Dentre os processos mecânicos, neste trabalho serão abordados os processos de decantação e centrifugação, enquanto que a flotação não é puramente um processo mecânico, e será abordado também nesse trabalho.
DECANTAÇÃO
O processo de decantação baseia-se na separação de misturas heterogêneas, geralmente bifásicas, devido a diferença de densidade entre as fases. A mistura é colocada em um recipiente, de preferência fechado, que depois de certo tempo, a mistura é separada devido às forças gravitacionais. Os processos de decantação são classificados de acordo com o tipo de mistura empregado no processo, na maioria das vezes sendo empregado como uma pré-separação de uma mistura, por se tratar de um processo grosseiro. Os mais comuns, são:
Separação sólido-líquido: A mistura é deixada em repouso (contendo sólidos em suspensão), espera-se o tempo necessário e o líquido menos turvo é coletado por cima, enquanto que o sólido depositado é coletado por baixo. Esse processo chama-se sedimentação.
Figura 1 – Separação sólido-líquido através de sifonação, onde através de um tubo coleta-se o sobrenadante.
Separação líquido-líquido: Esse tipo de separação é aplicada em líquidos imiscíveis, e em laboratório usa-se uma vidraria chamada funil de bromo ou funil de decantação. Após forte agitação da mistura, e de um tempo de repouso, o líquido mais denso é depositado ao fundo e o menos denso na parte superior. Através da torneira situada na base da vidraria, a separação pode ser efetuada.
Figura 2 – Funil de bromo para separações líquido-líquido.
Sedimentação
A sedimentação é um processo dinâmico de separação de partículas sólidas suspensas, que ocorre pela diminuição da velocidade de escoamento, diminuindo os efeitos de turbulência, provocando a deposição das partículas mais densas do que o líquido, suspensas em correntes ou misturas.
O processo de sedimentação é muito comum no tratamento de água para o consumo urbano. Utiliza as forças gravitacionais para depositar as partículas em uma superfície ou zona de armazenamento. As partículas menores e/ou com densidade próxima a da água são posteriormente removidas por processos como a filtração, ou seja, o processo de sedimentação é considerado uma pré-separação da mistura. Entretanto, a água que é abastecida nas unidades de tratamento possuem partículas muito finas em suspensão, de forma que a sedimentação não se torna muito eficaz. Dessa forma, a água recebe coagulantes que aglomeram essas partículas finas para a fácil sedimentação (sais de múltiplas cargas, como MgSO4 e Fe(OH)3).
O tempo de sedimentação depende da velocidade terminal das partículas, que dependem de sua forma e densidade. Conhecendo essas propriedades, os equipamentos necessários podem ser dimensionados.
Tabela 1 – Dados de sedimentação a 20 ºC de partículas com densidade aproximada de 2,6 g/cm³.
	Partículas
	Diâmetro das partículas (mm)
	Velocidade de sedimentação (cm/s)
	Tempo necessário para cair 3 m (min)
	Areia
	0,20
	2,4
	2
	Areia fina
	0,10
	0,9
	6
	Silte
	0,01
	0,01
	8
Conhecer a velocidade de sedimentação é fundamental para dimensionar o equipamento de separação. Essa velocidade pode ser determinada através das propriedades do sólido, como forma, densidade e tamanho, e a partir desses valores calcular a área necessária de sedimentação e a vazão para uma operação de sedimentação contínua. Para uma bacia de clareamento, temos:
Figura 3 – Esquema de uma bacia de clareamento.
Para que o tempo de sedimentação das partículas seja o mesmo tempo mínimo de permanência do líquido na bacia (condição mínima), a expressão para o cálculo dos parâmetros do equipamento é:
				Eq. (01)
Em que:
: vazão da bacia;
: área de clarificação;
: velocidade de sedimentação, também chamada de carga.
A velocidade de sedimentação pode ser calculada através das considerações de partículas escoando no regime de Stokes com uma correção, segundo a equação (02) abaixo.
 			Eq. (02)
Em que:
: viscosidade do fluido;
: diâmetro médio das partículas;
: densidade do fluido;
: número de Reynolds.
Avaliando os parâmetros das equações (01) e (02) podemos esperar uma boa separação quando a carga da bacia pode ser escolhida alta. Para que isso aconteça, é necessário que a diferença de densidade entre o sólido e o fluido seja a mais alta possível, que o líquido possua baixa viscosidade e o diâmetro das partículas seja grande. 
A sedimentação torna-se eficiente quando podemos enxergar as partículas em suspensão a olho nu, numa regra grosseira. Como dito anteriormente, partículas mais finas podem ser coaguladas e sedimentadas em série. 
Tipos de decantadores
Os decantadores mais comuns são classificados de acordo com a sua taxa e capacidade. Cada equipamento é projetado de acordo com a mistura a ser processada.
Decantadores clássicos: são equipamentos convencionais, de baixa taxa, subdivididos em seção retangular e seção circular;
Decantadores tubulares: são equipamentos tubulares, utilizados para altas taxas, subdivididos em equipamentos de fluxo ascendente e fluxo horizontal.
 Decantadores clássicos
Os decantadores clássicos, também chamados de convencionais são conhecidos por suprirem taxas relativamente pequenas de líquido decantado, e são muito comuns nas estações de tratamento de água e efluentes (ETA’s e ETEs). A maioria deles possui uma seção na base por onde o lodo é retirado, e possuem calhas que recebem o líquido após o tratamento. Os decantadores de seção circular possuem uma pá giratória que viabiliza a retirada no lodo no centro, e são alimentados na parte de cima do eixo central. Os de seção retangular possuem escoamento que segue o comprimento do tanque, composto de calhas laterais ou centrais, por onde é coletado o líquido tratado.
Figura 4 – Esquema de decantadores clássicos ou convencionais. a) Seção retangular, b) Seção circular.
Figura 5 – Decantador convencional de seção retangular em operação.
 Decantadores tubulares
Decantadores tubulares, também conhecidos como decantadores laminares, são equipamentos que operam a grandes taxas, com menor tamanho e levemente inclinados, onde bandejas intermediárias são colocadas para que a coleta de lodo seja maior (devido à inclinação as partículas sedimentam mais rapidamente). Esses decantadores são subdivididos em fluxo horizontal e ascendente, variando a inclinação das bandejas. 
A grande vantagem dos decantadores tubulares é a diminuição no tamanho necessário para determinadas taxas de sedimentação (Figura 6). Enquanto que os decantadores convencionais necessitam de grandes áreas para o equipamento, os tubulares se tornam uma alternativa benéfica. Entretanto, o cuidado para que a velocidade de escoamento do fluido (velocidade superficial) não seja maior que a velocidade de sedimentação das partículas se faz necessária, por isso são chamados de decantadoreslaminares devido ao regime de escoamento.
Figura 6 – Esquematização da variação do comprimento do decantador de acordo com seu tipo. Em a) temos um decantador convencional. Em b) a presença de uma bandeja intermediária diminui o comprimento do decantador segundo a mesma vazão. Em c) temos um decantador de fluxo laminar de duas bandejas com o mesmo fluxo de a) e b).
Figura 7 – Decantador de fluxo laminar ascendente em uma ETA.
FLOTAÇÃO
Quando a decantação, a sedimentação e a própria floculação das partículas se torna insuficiente para separar suspensões particuladas de um líquido, introduzem-se bolhas de ar na mistura, onde as partículas se aderem às bolhas criando uma espuma superficial, que pode ser removida da solução e consequentemente viabilizando a separação. Esse processo se chama flotação, ou flutuação como também é chamado.
As partículas de líquido que compõe as bolhas em contato com o ar formam uma tensão superficial, de forma que as partículas da superfície possuem uma “energia extra”, criando aderência com as partículas em suspensão na mistura. Cada tipo de material presente nas partículas (hidrofílico ou hidrofóbico) determinará a eficiência da flotação, ou seja, que tenham aderência mais fácil ou mais difícil às moléculas de água na interface água-ar.
Figura – Padrões de fluxo numa célula de flotação
Aplicações
A maioria das aplicações da flotação são análogas às da decantação. Dentre elas temos:
Efluentes industriais: 
Remoção de gordura, DBO insolúvel, algas, turbidez, metais precipitados, óleos (emulsionados ou não), pigmentos, reuso/reaproveitamento de águas de processo.
Tratamento de água:
Remoção de Ferro e Manganês, SST (Sólidos solúveis totais), diminuição da turbidez de águas, etc.
Flotadores
 Flotadores de coluna
São flotadores indicados para remoção de cobre, chumbo, zinco, ferro, grafite, fosfato, etc. A maioria das colunas aumenta a capacidade de arraste devido a pequenas bolhas que percorrem todo o comprimento da coluna, aumentando o contato com as partículas presentes. 
Figura – Flotador de coluna, utilizado em mineradoras.
 Flotador por ar dissolvido
São na grande maioria aplicados a sistema previamente pré-floculados, de modo a separar os flocos. As unidades formadas por flocos e microbolhas apresentam densidade aparente menor que o meio aquoso onde se encontram, o que garante, por empuxo, sua flotação até a superfície do flotador onde são removidas.
Funcionam por meio de bombas que recalcam uma porcentagem da água presente no tanque, misturando-a com ar ambiente e armazenando em um vaso sob pressão, que garantirá a “dissolução” do ar na água, esta por sua vez, é introduzida em uma câmara de descompressão juntamente com o efluente que vem do sistema de floculação onde o ar presente na água e agora sem pressão significativa, expandirá por entre os flocos presentes no efluente. Esta mistura é conduzida para dentro do tanque de flotação que permite a separação e remoção, na superfície, do flotado por meio de pás raspadoras acionadas por um sistema de correntes transportadoras tracionadas por um motoredutor.
Figura – Flotador por ar dissolvido (FAD).
Vantagens e desvantagens
Vantagens:
A flotação fornece unidades mais compactas, produz lodo com maior teor de sólidos, possibilita a redução do consumo de coagulantes (inverso da decantação que necessita de mais), reduz o volume de água descartado junto com as partículas, devido a retirada por cima dos sólidos e promove a remoção de substâncias voláteis.
Desvantagens:
Equipamentos de flotação possuem manutenção mais complexa, exigem operadores qualificados, necessitam de cobertura constante e consomem mais energia do decantadores e centrífugas.
CENTRIFUGAÇÃO
Em suspensões que contenham partículas muito pequenas, o tempo de sedimentação pode se tornar muito grande, com velocidades de sedimentação muito pequenas, ou muitas vezes, partículas muito pequenas ou com densidades próximas ao do líquido podem apresentar forças de empuxo grandes, evitando a sedimentação. Nesse caso as forças gravitacionais não são suficientes para a separação, sendo necessária a presença de um campo maior. Para o movimento atuante numa partícula sujeita a um campo centrífugo, temos as seguintes expressões:
			Eq. (03)
 			Eq. (04)
Em que:
r: posição radial da partícula;
ω: velocidade angular;
Dessa forma, com altas rotações obtêm-se grandes forças de campo, muitas vezes superiores à força gravitacional. É importante ressaltar que o diâmetro da partícula não deve ser muito pequeno, pois se torna um parâmetro muito importante nas equações de centrifugação. 
Aplicações
Na maioria das vezes as centrífugas são específicas para determinados processos, seja na indústria quanto em casa. O dimensionamento, operabilidade e aplicação dependem unicamente do processo. As principais aplicações das centrífugas são:
Na biologia, química e bioquímica:
É utilizada muitas vezes para separação de amostras que contenham suspensões indesejadas. São introduzidas em tubos de diferentes tamanhos, de acordo com o tamanho do rotor, e conforme a velocidade desejada.
Astronáutica:
Centrífugas humanas são utilizadas por agências como a NASA e a ESA para o treino dos astronautas, para testar a reação e tolerância ao processo de decolagem dos vaivéns espaciais, em que elevadas forças são sentidas.
Em casa:
O exemplo mais comum de centrifugação aplicada ao dia-a-dia é o caso das máquinas de lavar roupar. A centrifugação retira a água das roupas de forma rápida, por orifícios situados no tambor da máquina, onde a roupa é retida. 
Indústria:
As aplicações das centrífugas na indústria são das mais variadas formas possíveis. Desde separações isotópicas, onde são usadas centrífugas para separar isótopos de Urânio, com diferentes pesos para aplicações nucleares até concentração e secagem de sólidos presentes em pastas ou solventes. O tratamento de águas residuais que gera lodo pode ser centrifugado, de modo a secar o mesmo, além de purificação de reagentes químicos em larga escala.
Tipos de centrífugas
 Centrífuga de discos
Também chamadas de clarificadoras ou sedimentadoras, essas centrífugas possuem conjuntos de pratos ou discos, que consiste em um grande número de peças cônicas colocadas umas sobre as outras, criando-se canais de precipitação para as partículas. 
São projetadas para atingirem velocidades de 3000 a 2000 vezes a gravidade, proporcionando um sistema de clarificação contínuo para separações sólido-líquido e líquido-líquido. Conforme os sólidos são sedimentados, são descarregados por aberturas no vaso da centrífuga. 
Figura - Centrífuga de discos, ou clarificadora/sedimentadora.
 Centrífuga decantadora de vaso horizontal
Consistem de dois elementos giratórios concêntricos horizontais contidos em uma carcaça estacionária. O cesto (elemento giratório exterior) afila-se de forma que os sólidos descarreguem em um raio menor que o do licor. A suspensão é alimentada no interior do eixo transportador por bombeamento ou por gravidade, sendo automaticamente acelerada até a velocidade da máquina. A força centrífuga impede a solução através de canais para o interior da cesta giratória, onde os sólidos decantam através da camada de licor formada sobre a parede.
Figura – Centrífuga decantadora de vaso horizontal
 Centrífuga tubular
Este tipo de centrífuga consiste em um tubo sólido fechado em ambas as extremidades, e que normalmente é alimentado com dois líquidos de densidades diferentes, por uma entrada no fundo. A fase mais pesada se concentra contra a parede do cilindro, enquanto a fase mais leve flutua sobre ela. As duas fases são separadas por meio de um defletor que as descarrega em dois fluxos distintos. Se a alimentação do processo for do tipo líquido/sólido ou líquido/líquido/sólido, faz-se necessário uma limpeza regular, mas, se não há a presença de sólidos suspensos, o processo pode ser contínuo.
Figura – Centrífuga tubular
CONCLUSÃO
Os processos de separação mecânica são necessáriosem diversos segmentos industriais, e para cada tipo de mistura empregada, dependendo das propriedades dos sólidos e do fluido, um processo é empregado.
Para pré-separações a sedimentação é satisfatória, para partículas relativamente grandes e densas. Para partículas com boa adesão às molécula de água com tamanhos e densidades menores a flotação é empregada e para partículas menores ainda, aumentando o campo de forças, através de centrífugas, a separação torna-se eficaz.
Referências
MASSARANI, G., Fluidodinâmica em sistemas particulados, 2ª edição, 2001;
ISENMANN, A. F., Operações Unitárias na Indústria Química, 2ª edição, 2012;
LIMA, E. Q. B., Centrifugação – Estudo da arte e Aplicações de centrífugas na Indústria, Uberlândia, 2007;
http://www.em.ufop.br/deciv/departamento/~carloseduardo/1Tratamento%20de%20Agua_Decantacao%20n.pdf – acessado em 16/09/2014 às 17h30min;
www.feg.unesp.br/~caec/antigo/quarto/aula9b.doc - acessado em 16/09/2014 às 18h;
http://qnint.sbq.org.br/qni/visualizarConceito.php?idConceito=61 – acessado em 17/09/2014 às 13h40min;
http://www.naturaltec.com.br/Tratamento-Agua-Flotador.html - acessado em 17/09/2014 às 13h50min;
http://agetec.com.br/uploads/Anexos/Flotadores/Flotador%20de%20ar%20dissolvido.pdf – acessado em 17/09/2014 às 18h30min.